三維掃描系統的控制系統設計

李慧慧

摘要 ：目前，對國民經濟發展起重要作用的是制造業。由于制造技術的飛速發展，尤其是出現的先進制造技術，讓制造業產生了巨大變化，尤其是國際化的大環境對產質量和制造工藝提出了新的高的要求，同時也帶來了實際的工程測量問題。

隨著三維測量技術的完善和不斷發展，利用可編程控制機械手臂高度靈活、自動化和穩定的特性，實現自動化三維測量有望成為新興先進制造業領域解決諸多三維測量問題的有效解決方案。

關鍵詞：三維掃描;機械手;自動化測量;系統控制

中圖分類號：A 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-54-

一、控制系統

三維掃描控制系統是為了連接pc機、定位傳感器、機械臂、測量傳感器的控制裝置，完成控制三維掃描系統對于任意物體通過智能分析（離線標定、執行掃描、數據拼接）且自動完成測量任務的功能。

1.1 DSP控制系統

三維掃描系統的運行程度與控制器有很大關聯，選擇一個具有穩定、功能強大、經濟的控制器是很有必要的。隨著控制技術、軟件和硬件技術的快速發展，為控制器的選擇提供的有利的條件。

傳統的控制器采用單片機控制較多，在控制運行的過程中，經常發生驅動故障，用單片機制作的主控板受制版工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環境依賴性強，開發周期長。一個采用單片機制作的主控板不經過很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產品。

作為一種微處理器，是為完成實時數字信號處理任務而設計的，算法的高效實現是DSP器件的核心：改進的哈佛結構（多總線，片內多條數據、地址和控制總線）、流水線技術（多個控制和運算部件并行工作）。DSP軟件優點模塊編程好，工程化編程支持，可將軟件開發人員和硬件開發人員基本上分離。

DSP特點：DSP器件的發展，兼顧性能、功耗、價格三個因素;DSP+ARM的雙核結構，用戶只需添加極少的外部芯片，即可組成一個完整的應用系統;更多并行的體系結構-，實現最高程度的并行計算，從而使功能最大化等。

1.2控制系統硬件組成

控制器的硬件布局有以下幾個部分組成：DSP+CPLD 作為主要控制部分，包含 DSP核心控制部分和 CPLD 驅動部分和CPLD擴展部分;通信接口部分，包括 PCI 總線部分、USB 總線部分和USB串口部分;I/O 輸入輸出接口部分以及外圍存儲器部分。

1.3控制系統軟件

系統控制器在工作生產中是一個獨立的過程控制單元，，它由硬件和軟件共同完成所需要的動作極其功能。硬件為軟件運行供應所需要的環境，軟件則用來完成系統所需要的功能。本系統軟件是由控制模塊和管理模塊兩大模塊組成。

控制系統軟件組成有主程序模塊統籌控制模塊和管理模塊，控制模塊由位置控制模塊、差補模塊、速度控制模塊、I/O控制模塊組成，管理模塊由人機界面模塊、參數設置模塊、程序下載模塊構成。

其中，系統的控制由位置控制模塊、插補模塊、速度處理模塊和開關量 I/O 控制模塊等，因為軟件程序的優先等級需要要求較高，說明需要系統的實時性較強;系統的管理模塊由人機界面顯示模塊、參數設置模塊和程序下載模塊等3部分組成，這部分模塊對系統的實行性所需要要求較低，所以模塊優先級要求也較低。所以可以認為，一個運動控制系統的基本功能是用子功能來完成的，如果要增加系統的功能，就需要來增加子功能來實現。

要實現所需要的功能，就要對系統控制器的軟件有一個規劃，區分出每個功能模塊，只有這樣才能完成 ?DSP 芯片上設計程序的成功運行。本系統軟件主要由2個層次組成，分別是 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC ?層軟件的功能是指在完成程序的傳遞運輸和完成程序下載的功能;在插卡式系統控制中，除了完成程序的傳遞運輸和完成程序下載的功能，還需要實現動作實時位置顯示、運動命令發送等人機交互界面的功能。 運動控制器的主要功能由 DSP 層的軟件完成，由運動控制模塊、速度控制模塊、通信功能模塊、參數設置模塊等組成。

各部分相關說明如下

運動控制 ：運動控制功能是運動控制器的主要功能，包括位置控制、插補和輔助功能的輸入輸出I/O 控制。本系統基本功能是實現機械臂自由度運動的控制，包含機械手6個組成的各個運動角度等。

速度控制 ：速度控制即調速，利用加減速算法，實現系統的平穩運動。

通信功能 ：系統控制器不僅僅是一個孤立的系統，它還需要完成與外界進行數據交換，主機通信主要完成兩個功能環節：一個是程序的下載，另一個是控制指令的發送和運動狀態的反饋。

參數設置 ：作為開放式運動控制器，可以允許使用者對控制系統的每一個參數進行實時調整與修改。

二工作軌跡的設計

2.1機械手坐標系的概述

對于機器人系統，機械手則是其機械運動部分，它的執行機構是用來保證復雜空間運動的綜合剛體，而它自身也往往需要進行運動。對于位置描述，需要建立一個坐標系，然后用某個3×1位置矢量來確定該坐標空間的任意一點的位置，并用3×1列矢量表示，成為位置矢量。對于物體的方位，也用固接與該物體的坐標系來描述。對于直角坐標系{A}任意一點P的位置可用3×1的列矢量表示，其中是點P在坐標系A}中的三個坐標分量，則為位置矢量。

2.2工作軌跡的生成

所謂軌跡，是指機械手在運動過程中的位移、速度、加速度。用戶只需要給出手部的目標位姿，讓規劃器確定到該目標的路徑點、持續時間、運動速度等參數軌跡。并在計算機內部描述出所要求的軌跡。我們所用到機械手不僅要規定機械手的起始點和終止點，還要指出兩點間的若干中間點（路徑點），必須沿特定的路徑運動。

2.3工作軌跡的傳輸

當三維掃描系統需要執行任務時，首先要對測量傳感器和定位傳感器進行離線標定，然后按照所規劃好的軌跡開始運行，系統會自動記錄示教軌跡，然后通過I/O輸入輸出接口模塊傳輸到DSP主控模塊，并進行掃描軌跡的存儲，還可以經由DSP主控模塊由串口通信或USB通信傳輸到計算機，進行規劃軌跡的仿真及檢測，以免在檢測過程中發生意外。

2.4工作過程

當測量任務下發后，三維掃描系統進入準工作狀態。開始測量準備完成后，三維掃描系統進入工作狀態。機械手從起始點（原點）位置開始進行工作，通過底座的移動到達被測物體上表面進行測量，根據物體表面的尺寸大小，決定底座移動次數和對上表面進行測量的次數;上表面測量完成以后，根據動作需要將機械手移動到側面，利用手臂的可運動角度對側面進行全面掃描;側面測量完成后，再將機械手移動到被測物體的前面進行全面掃描，同理對剩下的三個面進行依次測量，并完成對掃描數據的采集，利用數據的拼接優化，完成數據的整理，再通過通訊模塊傳輸到計算機，完成此次測量任務。工作結束后，對三維掃描系統復位。

參考文獻

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